脊椎動(dòng)物掃描發(fā)現(xiàn)“新故事”

張文韜/編譯

脊椎動(dòng)物掃描發(fā)現(xiàn)“新故事”

張文韜/編譯

計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像（從左至右）：水虎魚(yú)（梅氏鋸脂鯉），念珠蜥蜴和北極露脊鯨

● 亞當(dāng)·蘇梅爾斯將其喜歡掃描動(dòng)物的業(yè)余愛(ài)好發(fā)展成了一項(xiàng)工作，他探索發(fā)現(xiàn)的工作方法簡(jiǎn)單高效，啟發(fā)了同行，同時(shí)也吸引了一批志同道合的科研人員從事該項(xiàng)研究工作。因其研究工作為解剖學(xué)、進(jìn)化學(xué)等領(lǐng)域工作開(kāi)拓了新視角，其領(lǐng)銜的研究工作獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）資助。

亞當(dāng)·蘇梅爾斯（Adam Summers）喜歡給死魚(yú)進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層掃描，也就是常說(shuō)的CT，他甚至已經(jīng)把這個(gè)特殊的愛(ài)好發(fā)展到了學(xué)術(shù)癡迷的程度，因此獲得了“魚(yú)人”的綽號(hào)。他是個(gè)生物力學(xué)家，實(shí)驗(yàn)室在美國(guó)華盛頓圣胡安島上的星期五港口。他說(shuō)，“剛開(kāi)始那會(huì)，我都會(huì)用士力架來(lái)?yè)QCT掃描的機(jī)會(huì)。”20年來(lái)，他一直掃描保存在液體中的魚(yú)類(lèi)標(biāo)本，得到精細(xì)的3D圖像，研究錯(cuò)綜復(fù)雜的動(dòng)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)。每當(dāng)他在網(wǎng)上發(fā)布這些精美的骨架圖時(shí)，粉絲們就會(huì)急切地追問(wèn)下一次會(huì)掃描什么魚(yú)。蘇梅爾斯總是半開(kāi)玩笑地回應(yīng)：“別著急，一個(gè)一個(gè)來(lái)，我會(huì)把所有的魚(yú)類(lèi)都掃描了。”

去年，美國(guó)佛羅里達(dá)州自然歷史博物館的爬蟲(chóng)學(xué)家大衛(wèi)·布萊克本（David Blackburn）在“推特”上看到了蘇梅爾斯發(fā)起的話(huà)題——掃描所有魚(yú)，突發(fā)奇想，他說(shuō)：“我將掃描所有青蛙。”布萊克本剛與博物館館長(zhǎng)交流完其想法后，就給蘇梅爾斯打了電話(huà)。他們決定尋找資金，增加投入，來(lái)實(shí)現(xiàn)“掃描一切”的目標(biāo)。現(xiàn)在他們已經(jīng)獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)250萬(wàn)美元的資助，2017年9月1日已經(jīng)開(kāi)始該項(xiàng)目——3D圖像中脊椎動(dòng)物多樣性的開(kāi)放性研究（簡(jiǎn)稱(chēng)oVert）。在接下來(lái)的4年中，布萊克本負(fù)責(zé)的工作是：用CT掃描2萬(wàn)多個(gè)來(lái)自全美國(guó)16個(gè)博物館和大學(xué)的脊椎動(dòng)物標(biāo)本，覆蓋已知種屬的80%。oVert將從其中選擇約1 000個(gè)樣本（代表了大部分脊椎動(dòng)物家族）用碘染料浸泡，從而加深軟組織中的對(duì)比度，以便科學(xué)家們看到肌肉、循環(huán)系統(tǒng)、腦組織等。

項(xiàng)目得到的3D透視圖將被上傳到由杜克大學(xué)的進(jìn)化人類(lèi)學(xué)家道格·博耶爾（Doug Boyer）創(chuàng)辦的MorphoSource的數(shù)字文獻(xiàn)庫(kù)里，這些數(shù)據(jù)將對(duì)幾個(gè)研究領(lǐng)域的學(xué)者免費(fèi)開(kāi)放，包括比較解剖學(xué)、進(jìn)化學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和仿生學(xué)。布萊克本表示，“目標(biāo)是讓標(biāo)本離開(kāi)陳列架，更多地進(jìn)入研究人員的手中，用到大規(guī)模的研究課題中。”

“很快，研究人員就能輕松獲得所有脊椎動(dòng)物的多樣性結(jié)果，該項(xiàng)目將立即產(chǎn)生效用。”美國(guó)布朗大學(xué)的脊椎動(dòng)物形態(tài)學(xué)者貝思·布雷納德（Beth Brainerd）表示。

蘇梅爾斯的業(yè)余愛(ài)好變成正式工作是從2015年他的實(shí)驗(yàn)室終于擁有CT掃描儀開(kāi)始的。他偶然發(fā)現(xiàn)了一種提高掃描效率的簡(jiǎn)單方法：用酒精浸透的粗棉布把魚(yú)獨(dú)立包裝，能防止干燥，裹疊成他所謂的“魚(yú)卷餅”，這樣能夠一次掃描多個(gè)標(biāo)本。迄今為止，他已經(jīng)完成了2 400個(gè)不同種類(lèi)、涉及4 500多個(gè)標(biāo)本。

很多其他研究人員從蘇梅爾斯實(shí)驗(yàn)室的魚(yú)類(lèi)CT掃描結(jié)果中獲益匪淺。美國(guó)塔夫茨大學(xué)的卡珊德拉·多納泰利（Cassandra Donatelli）想設(shè)計(jì)一種用于水下勘探的節(jié)能機(jī)器人，她使用3D模型模擬細(xì)長(zhǎng)魚(yú)類(lèi)的關(guān)節(jié)和運(yùn)動(dòng)。德國(guó)波恩大學(xué)神經(jīng)解剖學(xué)家邁克爾·霍夫曼（Michael Hofmann）正在開(kāi)展對(duì)魚(yú)類(lèi)內(nèi)耳的比較研究，希望弄清它們的聽(tīng)覺(jué)和定位。2017年4月，oVert項(xiàng)目的參與者之一，德州農(nóng)工大學(xué)的魚(yú)類(lèi)館長(zhǎng)凱文·康威（Kevin Conway）展示了一種新的喉盤(pán)魚(yú)，在掃描照片中，那種魚(yú)的嘴里長(zhǎng)著約2 000顆微小的牙齒，就像牙刷上的刷毛。

蘇梅爾斯實(shí)驗(yàn)室的博士后研究人員馬修·科爾曼（Matthew Kolmann）說(shuō)，“讓我吃驚的是，幾乎每掃描一個(gè)種類(lèi)，我們都會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)。”水虎魚(yú)的CT掃描結(jié)果顯示，這種魚(yú)會(huì)相互在對(duì)方骨頭上留下細(xì)細(xì)的咬痕。布萊克本稱(chēng)這種發(fā)現(xiàn)是“自然歷史附產(chǎn)物”，偶然揭示了動(dòng)物的生活方式。

在研究一些只有一兩件標(biāo)本的罕見(jiàn)生物體的解剖學(xué)特點(diǎn)時(shí)，掃描是一種尤其有效的工具，布萊克本補(bǔ)充說(shuō)，“因?yàn)闆](méi)有人會(huì)想到真的解剖這些生物體標(biāo)本。”（掃描結(jié)果還能揭示出一些生物的飲食情況，布萊克本發(fā)現(xiàn)青蛙的胃里有螞蟻、螃蟹甚至還有其他的青蛙。）

在oVert項(xiàng)目中，6所已經(jīng)擁有掃描儀的大學(xué)將掃描機(jī)構(gòu)擁有的標(biāo)本以及來(lái)自另外10個(gè)機(jī)構(gòu)的標(biāo)本。4位研究人員負(fù)責(zé)尋找適當(dāng)?shù)镍B(niǎo)類(lèi)和哺乳動(dòng)物標(biāo)本，不過(guò)這是很有挑戰(zhàn)性的工作，因?yàn)檫@些動(dòng)物大都被干燥后制成了陳列標(biāo)本。oVert旨在找到內(nèi)臟完整的液體保存標(biāo)本，這種標(biāo)本僅在爬行動(dòng)物、兩棲動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)中比較常見(jiàn)。

康威將負(fù)責(zé)掃描體型巨大的標(biāo)本，預(yù)計(jì)是500個(gè)，長(zhǎng)度可達(dá)2米，體重可達(dá)250千克。另外，超大的物種將會(huì)使用幼體或胎兒標(biāo)本。從前，他的團(tuán)隊(duì)掃描過(guò)雀鱔、鰻魚(yú)、北極露脊鯨胎兒，甚至一條2.5米長(zhǎng)的大眼沙龜鯊。

注射了碘染料的青蛙顯露出肌肉、腺體、神經(jīng)系統(tǒng)、卵、寄生蟲(chóng)等

這些標(biāo)本多由博物館收藏，雖然年代久遠(yuǎn)，外表可能殘破，但是內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)該還是保存完好的。同時(shí)再用碘染料加深標(biāo)本內(nèi)部的對(duì)比度。項(xiàng)目的神經(jīng)解剖學(xué)顧問(wèn)、北卡羅來(lái)納州大學(xué)的卡拉·郁帕克（Kara Yopak）預(yù)言，除了其他用途之外，oVert將開(kāi)啟稀有物種腦部進(jìn)化研究。

促進(jìn)教育和擴(kuò)大研究是oVert的主要目標(biāo)。佛羅里達(dá)自然歷史博物館的脊椎動(dòng)物古生物學(xué)館長(zhǎng)布魯斯·麥克法登（Bruce McFadden）喜歡在K-12教育中使用3D模型。以前，他與科學(xué)和藝術(shù)領(lǐng)域的教師們合作，根據(jù)牙齒CT掃描結(jié)果，幫助一群中學(xué)生重建與原物一般大小的史前鯊魚(yú)下顎。

科學(xué)家將能夠探索數(shù)千種物種的脊椎形狀和解剖學(xué)，博耶爾很興奮，他說(shuō)：“先將以往我們認(rèn)為正確的解剖學(xué)上的進(jìn)化知識(shí)都放到一邊，這次研究的范圍與以往有很大的不同，我們必須用全新的眼光看待。”

[資料來(lái)源：Science][責(zé)任編輯：游 溪]